现代分离技术进展

分离技术进展摘要：本文分别阐述了色谱分析技术、沉淀分离技术、膜分离技术等三种分离技术的定义、原理、常用方法及发展情况。关键词：色谱分析 沉淀分离 膜分离前言分离技术是化学工程的一个重要分支，无论是石油炼制、塑料化纤、湿法冶金、同位素分离，还是生物制品的精制、纳米材料的制备、烟道气的脱硫和化肥农药的生产等等都离不开分离技术。化工生产中的原料和产物绝大多数都是混合物，需要利用体系中各组分物性的差别或借助于分离剂使混合物得到分离提纯。分离提纯往往是获得合格产品、充分利用资源和控制环境污染的关键步骤。本文介绍了三种常见的分离技术：色谱分析、沉淀分离、膜分离，并分别阐述了各自的常用方法及发展情况。1.色谱分析技术1.1.色谱分析技术简介色谱分析是指按物质在固定相与流动相间分配系数的差别而进行分离、分析的方法。20 世纪初，俄国植物学家茨维特(Tswett)将植物色素的石油醚提取液注入碳酸钙柱，再加入石油醚到柱内，使之自由流下，分出叶绿素带(绿色)和胡萝卜素带(黄色)，由此逐步形成色谱分析法1。色谱分析有两个要素流动相和固定相。在流动相从固定相的一端流到另一端的过程中，加在固定相起始端的溶质随流动相流动，并在流动相和固定相之间来回转移。不同的溶质与这两相的亲和力大小不同，溶质的移动速度也不同，因而得到分离。固定相一般是固体，也可以是固体上附着液体；流动相是液体或气体。色谱分析具有很多优点：分离效果好，设备简单，操作方便，条件较温和，方法多样，能适应不同的需要。而其缺点主要是：处理量小，周期长，不能连续操作；有的层析介质价格昂贵，有时找不到合适的介质。1.2.常用的色谱分析法（1）柱色谱法。最原始的色谱方法。向玻璃管中填入固定相，以流动相溶剂浸润后，在上方倒入待分离的溶液，再滴加流动相。因为待分离物质对固定相的吸附力不同，吸附力大的固着不动或移动缓慢，吸附力小的被流动相溶剂洗下来随流动相向下流动，从而实现分离。柱色谱法广泛应用于混合物的分离。图 1 柱色谱装置及分离过程（2）薄层色谱法将固定相涂布在金属或玻璃板上形成薄层，将样品点样于薄板一端，之后将点样端浸入流动相中，依靠毛细作用令流动相溶剂沿薄板上展开样品。薄层色谱法成本低廉操作简单，可应用于对样品的粗测、对有机合成反应进程的检测。图 2 薄层色谱示意图（3）气相色谱法样品被汽化后由惰性气体（流动相）带入色谱柱，柱内含有液体或固体流动相，由于样品中各组分的沸点、极性或吸附性能不同，每种组分都倾向于在流动相和固定相之间形成分配或吸附平衡。但在惰性气体的推动下，在惰性气体中浓度大的组分先流出色谱柱，而在固定相中分配浓度大的组分后流出。当组分流出色谱柱后，进入检测器，检测出每种组分的所占比例，并记录下来形成气相色谱图2。气相色谱法被广泛应用于小分子量复杂组分物质的定量分析。（4）高效液相色谱法3该方法是在经典色谱法的基础上，引用了气相色谱的理论。在技术上，流动相改为高压输送；色谱柱是以特殊的方法用小粒径的填料填充而成，柱效大大高于经典色谱柱；同时柱后连有高灵敏度的检测器，可对流出物进行连续检测。高效液相色谱法是目前应用最多的色谱分析法，几乎遍布定量定性分析的各个领域。1.3.色谱分析技术的发展在色谱法创立以来，其基础理论、分离模式、固定相设备、检测设备等方面均有着不同程度的改善。其中高精度、高速度、高灵敏度、微型化成为了色谱分析发展的几个重要方向，由此超临界流体色谱法与毛细管电色谱法的研究得到科学界的广泛关注。超临界流体色谱法以超临界流体作为流动相，其扩散系数和粘度接近于气相色谱，因此溶质的传质阻力小，可以获得快速高效分离；而其密度与液相色谱类似，这样就便于在较低温度下分离和分析热不稳定性相对分子质量大的物质。毛细管电色谱法以内含色谱固定相的毛细管为分离柱，用电渗流或电渗流结合压力流来推动流动相兼具毛细管电泳及高效液相色谱的双重分离机理，既可分离带电物质也可分离中性物质4。毛细管电色谱法非常适用于痕量分析，且分析速度快、样品消耗少，是色谱法发展方向之一。2.沉淀分离技术2.1.沉淀分离技术简介沉淀分离是一个溶质和溶剂之间关系可以交变的过程，通常用添加沉淀剂的方法，改变溶质和溶剂的能量平衡，使溶质由液相变成固相而沉淀析出的过程。通过沉淀分离法，目的产物达到浓缩和去除杂质的目的5。沉淀分离法的优点是设备简单、成本低、原材料易得、便于小批量生产，对一些生物活性物质的破坏作用小，产物的浓度越高对沉淀越有利，回收率越高。但其缺点是沉淀物可能聚集有多种物质或含有大量的盐类，所得产品纯度低，需重新精制，而且过滤比较困难。2.2.常用的沉淀分离方法（1）无机沉淀剂沉淀分离法无机沉淀剂沉淀分离法通常以无机盐类作为沉淀剂，包括金属盐类沉淀分离法和盐析法。常用的沉淀剂有硫酸铵、碳酸铵、硫酸钠、柠檬酸钠、磷酸氢钠等。金属盐类沉淀分离法是利用金属离子与酸根在形成盐类后溶解度降低而沉淀分离，如在柠檬酸发酵液中加入碳酸钙，形成柠檬酸钙沉淀，与发酵液的其他杂质分离。盐析法又称为中性盐沉淀法，在蛋白质和酶等生物大分子的溶液中加入一定质量浓度的中性盐溶液，降低蛋白质分子的水分活度，中和蛋白质表面的电荷，破坏蛋白质分子外表的水化膜，从而使蛋白质分子相互凝聚而沉淀析出，如水稻氨基酰化酶的分离纯化采用的就是盐析法6。（2）有机沉淀剂沉淀分离法有机沉淀剂沉淀分离法以有机溶剂作为沉淀剂，其基本原理是：有机溶剂降低了溶液的介电常数，增强了溶质分子间的静电作用，导致溶质分子间发生聚合而析出；有机溶剂本身必须溶解在水中，减少了溶质与水的作用，使溶质脱水而互相聚集沉淀，如沉淀分离枯草杆菌 BF-7658-淀粉酶7、乙醇沉淀法快速制备纤维蛋白胶8就采用此方法。常用的沉淀剂有：乙醇、丙酮、甲醇、异丙酮等。图 3 有机溶剂沉淀法分离枯草杆菌 BF-7658-淀粉酶的工艺流程（3）等电点沉淀法等电点沉淀法主要利用两性电解质分子在等电点时溶解度最低而沉淀析出的原理，不同的电解质等电点也不同。此法适用于氨基酸、蛋白质及其他两性电解质组分的沉淀分离。通过调节溶液的 pH 值即可控制不同的等电点，从而分离出不同的电解质，如从小麦面筋水解液中分离提取谷氨酸9就采用此方法。常用的试剂有盐酸、硫酸等。图 4 等电点沉淀法从小麦面筋水解液中分离提取谷氨酸的工艺流程（4）共沉淀分离法共沉淀是指一种难溶化合物从溶液中析出时，受表面吸附的影响，溶液中某种可溶性杂质被沉淀下来而混杂于沉淀中的现象。共沉淀分离法也称为生物盐复合物沉淀法，是利用沉淀对其他待分离组分吸附共沉淀达到除杂的目的10。共沉淀剂种类很多，可分为无机共沉淀剂和有机共沉淀剂两大类。无机共沉淀剂用的较多的是具有吸附作用的氢氧化物、硫化物，如 Fe(OH)3，PbS，CuS，CdS，SnS2，Al(OH)3，Mn(OH)2等；有机共沉淀剂可分为形成缔合物或鳌合物的共沉淀剂和惰性共沉淀剂两类，前者有甲基紫、结晶紫、甲基橙、次甲基 兰等；后者的典型代表有酚酞、-萘酚、间硝基苯甲酸等。（5）金属离子沉淀法在蛋白质溶液中加入一定浓度的金属离子（如 Zn2+、Ba2+）或金属离子的双鳌合物等，它们能与蛋白质分子中的某些特殊部位发生反应，使蛋白质的等电点转移，从而降低蛋白质的溶解度，使其沉淀析出。沉淀蛋白质的金属离子有 3 类：与胺基、羧基等含氮化合物及含氮杂环化合物强烈结合的金属离子（如 Mn2+，Fe2+，Co2+）；与羧基结合不与含氮化合物结合的金属离子（如 Ca2+，Ba2+，Mg2+）；与硫基化合物结合的金属离子（如 Hg2+，Cu2+，Pb2+）。2.3.沉淀分离技术的发展随着现代工业和科学技术的进步及新型沉淀剂的应用，出现了许多新型及改良传统方法的沉淀分离技术。例如曾祥基等人11采用电酸化沉淀法分离蛋白。该方法基于水分子离解为 H+和 OH-，H+和蛋白质接触并达到一定浓度时间则可使之达到等电点而选择性地将蛋白分离。这种方法清洁且不产生污染，每千克分离蛋白能耗为 0.72Kwh，有望投入工业应用。此外，黄玉秀等人12采用电化学法，不引入任何沉淀剂，通过改变电压和电流密度而分离得到九种单质系列氨基酸，该工艺的产率及经济效率远高于单纯生产单一氨基酸工艺。可以预见，在将来会有越来越多的分离效率更高，更科学环保的沉淀分离技术出现，使得各个领域的研究进一步发展。3.膜分离技术3.1.膜分离技术简介膜分离技术是一种以分离膜为核心，进行分离、浓缩和提纯物质的一门新兴技术。该技术是一种使用半透膜的分离方法，在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时实现选择性分离13，由于膜分离操作一般在常温下进行，被分离物质能保持原来的性质，能保持食品原有的色、香、味、营养和口感，能保持功效成分的活性。其选择性强，操作过程简单，适用范围广，能耗低，所以可广泛应用于食品的生产中。膜分离是在 20 世纪初出现，20 世纪 60 年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。3.2.常用的膜分离方法14-17（1）反渗透膜分离法反渗透是利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子物质的性质，以膜两侧静压差为推动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离的膜过程。反渗透膜分离技术属于压力驱动型膜分离技术，其操作压差一般为 1.510.5MPa，可以从液体混合物中去处全部悬浮物、溶解物和胶体。图 5 反渗透膜分离过程目前反渗透膜分离技术的主要工业应用为：（a）海水和苦咸水脱盐制饮用水；（b）制备半导体工业、医药、化学工业中所需的超纯水；（c）用于浓缩过程，包括：食品工业中果汁、糖、咖啡的浓缩；电镀和印染工业中废水的浓缩；奶品工业中生产干酪前牛奶的浓缩。（2）微滤膜分离法利用孔径为 0.1-10um 的对称微孔膜，在以压力差为传质驱动力的条件下，过滤含高分子量或细微粒子的溶液，达到与溶液分离的目的。压力差范围为 50-100KPa，其传质分离机理为筛分截留效应，透过微滤膜的物质可以为溶液与气体，被截留的物质一般为微粒、大分子溶质及悬浮物质（如细菌）。基于微滤膜的特性，微滤膜分离技术主要用于从液相或者气相中截留细小粒子、菌体及其他悬浮性污染物，达到分离与净化的目的。目前，微滤膜分离技术应用于食品工业、生物工业和水处理领域，在乳清分离、果汁和白酒的澄清、处理含油废水等中产生了良好的经济与环境效益。（3）超滤膜分离法超滤膜分离与微滤膜分离的过程和原理类似，所不同的是工业领域中超滤膜分离采用 10-1-10-3um 的非对称膜，压力差范围为100-1000KPa，其传质分离机理为筛分截留效应，透过超滤膜的为溶剂和小分子物质，被截留的为生物大分子物质（脂类，核酸等）及胶体物质。在超滤膜使用过程中容易产生膜污染现象，不仅会增加生产成本，而且降低了膜的分离效率，超滤膜分离技术的推广应用受到限制。目前解决超滤膜污染的方法主要是对超滤膜表面进行改性，采用在疏水性表面引入亲水性基团的方法，使膜表面同时具有亲水性与疏水性，可明显降低产生膜污染的几率。超滤膜分离技术主要应用于医药、食品、生物与水处理领域，可用于分离提纯医药制品与生物制品，还应用于纯水的制备，以及在处理纺织工业与造纸工业废水中有较好的前景。（4）纳滤膜分离法利用非对称膜或复合膜，在压力差范围为 0.5-1MPa 作为推动力的条件下，能够截留溶液中粒径为纳米级的颗粒物质的膜分离技术。其传质机理为溶解扩散与 Donna 效应，透过纳滤膜的为溶剂与低价小分子物质，可以截留粒径为小于 1nm 的溶质粒子，截留一价离子的能力较弱，而截留二价或更高价态离子的能力较强。纳滤膜分离技术是在反渗透膜分离的基础上发展起来的，但其作用介于反渗透与超滤膜分离，同时还存在着溶解扩散效应，对有机废水中的小分子量物质有较好的去除效果，且